mosfet特性（图文解析）-细说mosfet结构及参数知识

mosfet

mosfet特性详解，mosfet是(shi)金属(shu)-氧(yang)化物(wu)半(ban)导体(ti)(ti)场(chang)效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)，简称(cheng)金氧(yang)半(ban)场(chang)效晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是(shi)一(yi)种可以广泛(fan)使(shi)用(yong)在模拟(ni)电(dian)路与数字电(dian)路的(de)(de)场(chang)效晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)（field-effect transistor）。 [1]  MOSFET依(yi)照其“通(tong)道”（工作(zuo)载流子）的(de)(de)极性不(bu)同，可分为“N型”与“P型” 的(de)(de)两种类型，通(tong)常又称(cheng)为NMOSFET与PMOSFET，其他简称(cheng)上包(bao)括NMOS、PMOS等。

图1

mosfet结构详解

图2

图(tu)2是典(dian)型平面(mian)N沟道增强(qiang)型NMOSFET的(de)剖面(mian)图(tu)。它(ta)用(yong)一块P型硅(gui)半导体材料作衬底，在其面(mian)上(shang)扩散了两(liang)个(ge)N型区，再在上(shang)面(mian)覆盖一层(ceng)二氧化(hua)硅(gui)(SiO2）绝(jue)缘层(ceng)，最后在N区上(shang)方(fang)(fang)用(yong)腐(fu)蚀的(de)方(fang)(fang)法(fa)做(zuo)成(cheng)两(liang)个(ge)孔(kong)，用(yong)金属化(hua)的(de)方(fang)(fang)法(fa)分别(bie)在绝(jue)缘层(ceng)上(shang)及两(liang)个(ge)孔(kong)内做(zuo)成(cheng)三个(ge)电极：G(栅极）、S（源(yuan)极）及D（漏极），如图(tu)所示(shi)。

从图2中(zhong)可以看出栅极(ji)G与(yu)漏极(ji)D及源极(ji)S是绝缘的，D与(yu)S之(zhi)间有两个PN结。一(yi)(yi)般情况下，衬(chen)底(di)与(yu)源极(ji)在(zai)内部连(lian)接在(zai)一(yi)(yi)起(qi)，这样，相当于(yu)D与(yu)S之(zhi)间有一(yi)(yi)个PN结。

图2是常见的(de)(de)(de)(de)N沟道增强型MOSFET的(de)(de)(de)(de)基本结(jie)构图。为了改善某些参数的(de)(de)(de)(de)特性，如提高工(gong)作电流、提高工(gong)作电压、降(jiang)低导通电阻、提高开(kai)关(guan)特性等有(you)(you)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)结(jie)构及工(gong)艺，构成所(suo)谓VMOS、DMOS、TMOS等结(jie)构。虽(sui)然(ran)有(you)(you)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)结(jie)构，但其(qi)工(gong)作原理是相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)，这(zhei)里就(jiu)不一一介绍(shao)了。

mosfet特性详解

讲完(wan)什么是mosfet及mosfet结构之后欧，我们(men)现在(zai)来看看mosfet特性。

1、mosfet特性-静态特性；其转移特性和输出特性如图3所示

图3

漏极电流ID和栅(zha)源间(jian)电压UGS的(de)关系(xi)称为MOSFET的(de)转移特性，ID较大时，ID与UGS的(de)关系(xi)近似线性，曲线的(de)斜率定义(yi)为跨导(dao)Gfs。

mosfet特(te)性，MOSFET的(de)漏极(ji)伏安特(te)性（输出(chu)特(te)性）：截止区（对应(ying)于(yu)GTR的(de)截止区）；饱和区（对应(ying)于(yu)GTR的(de)放大区）；非饱和区（对应(ying)于(yu)GTR的(de)饱和区）。电(dian)(dian)力 MOSFET工作(zuo)在开(kai)关状态，即(ji)在截止区和非饱和区之(zhi)间(jian)来回(hui)转换。电(dian)(dian)力MOSFET漏源极(ji)之(zhi)间(jian)有寄生二(er)极(ji)管，漏源极(ji)间(jian)加(jia)反向电(dian)(dian)压时器件导通(tong)。电(dian)(dian)力MOSFET的(de)通(tong)态电(dian)(dian)阻具有正(zheng)温度系数，对器件并(bing)联时的(de)均(jun)流有利。

2、mosfet特性-动态特性；其测试电路和开关过程波形如图4所示

图4

开通过程；开通延迟时间(jian)td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间(jian)的时间(jian)段；

上(shang)升时间tr— uGS从uT上(shang)升到MOSFET进入非饱和区的栅(zha)压UGSP的时间段(duan)；

iD稳(wen)态值由漏极(ji)电(dian)源(yuan)电(dian)压UE和漏极(ji)负载电(dian)阻决定。UGSP的大小和iD的稳(wen)态值有关，UGS达到UGSP后(hou)，在up作用(yong)下继(ji)续升高直至达到稳(wen)态，但(dan)iD已不变。

开通(tong)时(shi)间(jian)(jian)ton—开通(tong)延(yan)迟时(shi)间(jian)(jian)与(yu)上升(sheng)时(shi)间(jian)(jian)之和。

关断(duan)延迟时(shi)间td(off) —up下(xia)降到零起(qi)，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指(zhi)数曲线下(xia)降到UGSP时(shi)，iD开始减小为零的时(shi)间段。

下降(jiang)时(shi)间tf— uGS从UGSP继续下降(jiang)起(qi)，iD减(jian)小，到uGS

关(guan)断时间toff—关(guan)断延迟时间和(he)下降时间之和(he)。

降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法

1、不同耐压的MOSFET的导通电阻分布

不(bu)(bu)同(tong)耐压的MOSFET，其导通(tong)电阻(zu)(zu)(zu)中各部(bu)分电阻(zu)(zu)(zu)比例(li)分布也不(bu)(bu)同(tong)。如耐压30V的MOSFET，其外延(yan)层电阻(zu)(zu)(zu)仅为(wei) 总导通(tong)电阻(zu)(zu)(zu)的29%，耐压600V的MOSFET的外延(yan)层电阻(zu)(zu)(zu)则是总导通(tong)电阻(zu)(zu)(zu)的96.5%。由此可以推断(duan)耐压800V的MOSFET的导通(tong)电阻(zu)(zu)(zu)将几(ji)乎被外 延(yan)层电阻(zu)(zu)(zu)占据。欲获(huo)得高(gao)阻(zu)(zu)(zu)断(duan)电压，就(jiu)必须采(cai)用高(gao)电阻(zu)(zu)(zu)率(lv)的外延(yan)层，并(bing)增厚。这就(jiu)是常规高(gao)压MOSFET结构所导致的高(gao)导通(tong)电阻(zu)(zu)(zu)的根(gen)本原因。

2、降低高压MOSFET导通电阻的思路

增加(jia)管芯面积虽(sui)能(neng)降(jiang)低导通电(dian)阻，但成(cheng)本的(de)(de)提高所(suo)付出(chu)的(de)(de)代(dai)(dai)价是商业品所(suo)不允许(xu)的(de)(de)。引入少数载流子导电(dian)虽(sui)能(neng)降(jiang)低导通压降(jiang)，但付出(chu)的(de)(de)代(dai)(dai)价是开关速度的(de)(de)降(jiang)低并出(chu)现拖尾电(dian)流，开关损耗增加(jia)，失去了(le)MOSFET的(de)(de)高速的(de)(de)优点。

以上两种(zhong)办法不能(neng)降低(di)(di)高压(ya)(ya)(ya)MOSFET的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，所剩的(de)(de)(de)思(si)(si)路(lu)就是如(ru)(ru)何(he)将阻断(duan)(duan)高电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)(de)低(di)(di)掺(chan)(chan)杂、高电(dian)(dian)(dian)(dian)阻率(lv)(lv)区域和导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)通道(dao)的(de)(de)(de)高掺(chan)(chan)杂、低(di)(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻率(lv)(lv)分(fen)开解决。如(ru)(ru)除 导(dao)(dao)通时(shi)低(di)(di)掺(chan)(chan)杂的(de)(de)(de)高耐(nai)压(ya)(ya)(ya)外(wai)延(yan)(yan)层(ceng)对导(dao)(dao)通电(dian)(dian)(dian)(dian)阻只能(neng)起增大作(zuo)用外(wai)并无其他用途。这(zhei)(zhei)样，是否可以将导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)通道(dao)以高掺(chan)(chan)杂较低(di)(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻率(lv)(lv)实现(xian)，而在MOSFET关断(duan)(duan)时(shi)，设法使 这(zhei)(zhei)个通道(dao)以某种(zhong)方(fang)式(shi)夹断(duan)(duan)，使整个器件耐(nai)压(ya)(ya)(ya)仅取决于低(di)(di)掺(chan)(chan)杂的(de)(de)(de)N-外(wai)延(yan)(yan)层(ceng)。基于这(zhei)(zhei)种(zhong)思(si)(si)想(xiang)，1988年(nian)INFINEON推(tui)出(chu)内建横(heng)向电(dian)(dian)(dian)(dian)场耐(nai)压(ya)(ya)(ya)为600V的(de)(de)(de) COOLMOS，使这(zhei)(zhei)一(yi)想(xiang)法得(de)以实现(xian)。内建横(heng)向电(dian)(dian)(dian)(dian)场的(de)(de)(de)高压(ya)(ya)(ya)MOSFET的(de)(de)(de)剖面结构及高阻断(duan)(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)低(di)(di)导(dao)(dao)通电(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)(de)(de)示意图如(ru)(ru)图5所示。

与(yu)常规(gui)MOSFET结(jie)构(gou)不同，内建(jian)横向电场的(de)MOSFET嵌入垂(chui)直P区(qu)将垂(chui)直导电区(qu)域的(de)N区(qu)夹在(zai)中间，使MOSFET关断时，垂(chui)直的(de)P与(yu)N之间建(jian)立横向电场，并且垂(chui)直导电区(qu)域的(de)N掺(chan)(chan)杂(za)浓(nong)度高于其(qi)外(wai)延区(qu)N-的(de)掺(chan)(chan)杂(za)浓(nong)度。

当(dang)VGS＜VTH时(shi)，由于(yu)被(bei)电(dian)(dian)场反(fan)型(xing)而产生的(de)(de)N型(xing)导电(dian)(dian)沟道不能形成(cheng)，并且D，S间(jian)加正(zheng)电(dian)(dian)压，使MOSFET内部PN结反(fan)偏(pian)形成(cheng)耗(hao)尽(jin)层，并将(jiang)垂直导电(dian)(dian)的(de)(de)N 区耗(hao)尽(jin)。这(zhei)个耗(hao)尽(jin)层具有(you)纵向高阻断电(dian)(dian)压，如图5（b）所示(shi)，这(zhei)时(shi)器件的(de)(de)耐压取决于(yu)P与N-的(de)(de)耐压。因(yin)此N-的(de)(de)低掺杂、高电(dian)(dian)阻率是必需的(de)(de)。

图5

当CGS＞VTH时，被(bei)(bei)电场反型而产生(sheng)的(de)N型导(dao)电沟道形(xing)成。源(yuan)极区的(de)电子通(tong)过导(dao)电沟道进入(ru)被(bei)(bei)耗尽的(de)垂(chui)直的(de)N区中(zhong)和正电荷，从(cong)而恢复被(bei)(bei)耗尽的(de)N型特性(xing)，因此导(dao)电沟道形(xing)成。由于垂(chui)直N区具有(you)较(jiao)低(di)的(de)电阻率(lv)，因而导(dao)通(tong)电阻较(jiao)常规MOSFET将明(ming)显降低(di)。

通(tong)过(guo)以上分析可以看(kan)到：阻(zu)断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)与导通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)分别在(zai)(zai)不同的(de)(de)(de)功(gong)能区(qu)域(yu)。将(jiang)阻(zu)断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)与导通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)功(gong)能分开，解决了(le)阻(zu)断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)与导通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)的(de)(de)(de)矛(mao)盾(dun)，同时(shi)(shi)也将(jiang)阻(zu)断(duan)(duan)时(shi)(shi)的(de)(de)(de)表面PN结转化为掩埋PN结，在(zai)(zai)相同的(de)(de)(de)N-掺杂浓度时(shi)(shi)，阻(zu)断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)还可进一(yi)步提高。

mosfet主要参数

场效应管的参(can)数(shu)(shu)很多(duo)，包括直流(liu)参(can)数(shu)(shu)、交(jiao)流(liu)参(can)数(shu)(shu)和(he)极限参(can)数(shu)(shu)，但一般使用时关注以(yi)下(xia)主要(yao)参(can)数(shu)(shu)：

1、IDSS—饱和漏源电流。是(shi)指结型或(huo)耗尽(jin)型绝缘栅场效(xiao)应(ying)管(guan)中，栅极电压(ya)UGS=0时的漏源电流。

2、UP—夹(jia)断电压。是指结型(xing)或耗(hao)尽型(xing)绝缘栅场效(xiao)应管中，使漏源间刚截止时的栅极(ji)电压。

3、UT—开(kai)启电压。是指(zhi)增强型绝缘(yuan)栅场效管中，使漏源间刚导通(tong)时的栅极(ji)电压。

4、gM—跨导。是表示(shi)栅(zha)源(yuan)电压UGS—对漏极电流ID的(de)(de)(de)控制(zhi)能力，即(ji)漏极电流ID变化量(liang)与栅(zha)源(yuan)电压UGS变化量(liang)的(de)(de)(de)比值。gM是衡量(liang)场(chang)效应管放大能力的(de)(de)(de)重要参数。

5、BUDS—漏源(yuan)击穿电(dian)压。是(shi)指栅(zha)源(yuan)电(dian)压UGS一(yi)定时，场效(xiao)应管(guan)正常工(gong)作(zuo)所能承受的最大(da)漏源(yuan)电(dian)压。这是(shi)一(yi)项极限参(can)数，加(jia)在(zai)场效(xiao)应管(guan)上的工(gong)作(zuo)电(dian)压必(bi)须(xu)小于BUDS。

6、PDSM—最大耗(hao)(hao)散功率(lv)。也是一(yi)项极限参数(shu)，是指场效(xiao)应管性能不变坏时(shi)所允许的最大漏源耗(hao)(hao)散功率(lv)。使用时(shi)，场效(xiao)应管实际功耗(hao)(hao)应小于PDSM并留有一(yi)定(ding)余量(liang)。

7、IDSM—最大漏源电流。是(shi)一项极限参(can)数(shu)，是(shi)指场效应(ying)(ying)管(guan)正常(chang)工作(zuo)时，漏源间(jian)所允许(xu)通过的(de)最大电流。场效应(ying)(ying)管(guan)的(de)工作(zuo)电流不应(ying)(ying)超过IDSM 。

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